CN115509020A - 一种温控类贝塞尔光束生成器件及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种温控类贝塞尔光束生成器件，包括单模光纤和与所述单模光纤同轴熔接的毛细管，所述毛细管内填充有折射率对温度高度敏感的透明材料，填充有所述透明材料的所述毛细管的横截面具有低‑高‑低的折射率分布。本发明采用上述结构的温控类贝塞尔光束生成器件，单模光纤的基模耦合到毛细管中，在毛细管中激励起零阶径向模式，输出类贝塞尔光束，透明材料在温度控制下折射率改变，影响毛细管光纤的折射率分布，可以控制输出的类贝塞尔光束，并且本发明结构简单，成本低廉，具有广阔的应用前景。

Description

一种温控类贝塞尔光束生成器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种光场调控技术，尤其涉及一种温控类贝塞尔光束生成器件及其制备方法。
背景技术
自Durnin在1987年首次提出贝塞尔光束的数学模型，即亥姆霍兹方程的Whitaker解存在贝塞尔形式的特解，且与传输方向无关。但是在实际中这种无限能量的贝塞尔光束是无法实现的，但是科研工作者可以在实验中得到一种有限能量的贝塞尔光束，即类贝塞尔光束。类贝塞尔光束在一定的传播距离内具有无衍射特性和自我修复特性，可以被广泛应用在微加工、光刻、光相干层析扫描、非线性光学、光束缚和光捕获与操纵等领域。
生成贝塞尔光束的方法有很多，最常见的方法是平面波通过二次曲面或者圆锥曲面产生干涉，形成贝塞尔光束，这种方法通常在几何光学器件(例如凸透镜、轴透镜、空间光调制器、计算机控制全息图等)的焦点处放置一环形孔来实现。在光纤系统中，可利用光纤微轴透镜或光纤回音廊模式生成器产生类贝塞尔光束或将一段单模光纤与一段多模光纤熔接产生类贝塞尔光束。但是，平面波通过二次曲面或者圆锥曲面干涉形成类贝塞尔光束这种结构相对较为复杂，需要反复调试；利用光纤微轴透镜或光纤回音廊模式生成器产生类贝塞尔光束制作方法复杂，不便于操作；单模光纤耦合多模光纤产生类贝塞尔光束这一方法虽然操作简单且成本低廉，但是无法控制类贝塞尔光束的生成。
中国专利通过光纤端面生长微锥产生类贝塞尔光束的方法(申请号：CN201910090353.8)一文中，发明人通过将绿光激光经透镜耦合入单模光纤中，在单模光纤端面沉积光聚合物液体试剂后形成聚合物微锥，入射光束经过光纤端面形成的聚合物微锥后产生类贝塞尔光束。但是该方法制备过程复杂，在聚合物微锥制备过程中需要精确控制激光功率、激光曝光时间和氧气扩散浓度，不便于操作，且制作完成的器件不可调整。
中国专利一种自加速类贝塞尔光束的产生装置(申请号：CN201510312641.5)一文中，将光源发出的光通过接收光纤进行接收，场型变换光纤将接收光纤传输的光场转换为高阶类贝塞尔光束，再用相位调制光纤对高阶类贝塞尔光束进行相位调整，得到自加速类贝塞尔光束。但是该装置结构复杂，且无法控制产生的类贝塞尔光束。
为解决上述问题，本发明利用普通单模光纤与毛细管同轴熔接后，单模光纤的基模耦合到毛细管中，将折射率对温度高度敏感的透明材料注入毛细管中，输出温控的类贝塞尔光束。相较于平面波通过二次曲面或者圆锥曲面干涉产生贝塞尔光束与光纤微轴透镜或光纤回音廊模式生成器产生类贝塞尔光束而言，本发明结构简单，制备方便，成本低廉，能够实现类贝塞尔光束的在线温度调整。
发明内容
本发明的目的是提供一种温控类贝塞尔光束生成器件，单模光纤的基模耦合到毛细管中，在毛细管中激励起零阶径向模式，输出类贝塞尔光束，透明材料在温度控制下折射率改变，影响毛细管光纤的折射率分布，可以控制输出的类贝塞尔光束，并且本发明结构简单，成本低廉，具有广阔的应用前景。
为实现上述目的，本发明提供了温控类贝塞尔光束生成器件，包括单模光纤和与所述单模光纤同轴熔接的毛细管，所述毛细管内填充有折射率对温度高度敏感的透明材料，填充有所述透明材料的所述毛细管的横截面具有低-高-低的折射率分布。
优选的，所述透明材料为聚二甲基硅氧烷。
优选的，所述单模光纤包括包层和填充于所述包层内部的纤芯，所述包层的外径为125μm，所述纤芯的直径为8.2μm。
优选的，所述毛细管的外径为125μm、内径为105μm。
基于一种温控类贝塞尔光束生成器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、截取一段单模光纤，剥除单模光纤两端的涂覆层并处理，使得单模光纤端面平整；
S2、截取一段毛细管光纤，按照步骤S1的方法将两端面切割平整后，利用光纤焊接机将毛细管的一端和单模光纤的一端进行非塌缩同轴熔接并切割预留一段毛细管；
S3、将步骤S2中处理好的毛细管的另一端与真空微泵连接，利用真空微泵将对折射率对温度高度敏感透明材料填充进毛细管中，直至毛细管被完全填满；
S4、将激光器尾纤切割平整，并与步骤S1中单模光纤的另一端熔融焊接，即可得到温控类贝塞尔光束生成器件。
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S11、使用米勒钳将单模光纤尾端的涂覆层剥除，露出包层；
S12、用酒精擦拭干净单模光纤尾端；
S13、用光纤切割刀以涂覆层起始位置为基准固定后，推动切割刀的刀刃，之后再用酒精擦拭尾端部分；
S14、使用米勒钳将单模光纤头端的涂覆层；
S15、重复上述切割步骤，使单模光纤端面平整。
优选的，步骤S11和S14中均剥除3cm长度的涂覆层。
优选的，在步骤S2中毛细管2的保留长度为1μm。
优选的，步骤S4后还包括：
S5、试验测试
将温控类贝塞尔光束生成器件水平放置在温控台上，打开激光器电源，输出类贝塞尔光束，改变温控台温度，透明材料折射率随之改变，证明温控类贝塞尔光束生成器件实现了对输出的类贝塞尔光束的控制。
本发明的有益效果如下：
1、本发明利用单模光纤与毛细管同轴熔接，具有制作方便、成本低的优点。
2、本发明可通过控制环境温度来改变出射的类贝塞尔光束的生成。
下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
图1为本发明的一种温控的类贝塞尔光束生成器件的结构示意图；
图2为本发明的出射光场仿真侧视图；
图3为本发明在Z＝800μm，环境温度为25℃时出射光场的仿真横截面图；
图4为本发明在Z＝800μm，环境温度为45℃时出射光场的仿真横截面图。
其中：1、包层；2、纤芯；3、毛细管；4、透明材料。
具体实施方式
以下将结合附图对本发明作进一步的描述，需要说明的是，本实施例以本技术方案为前提，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围并不限于本实施例。
图1为本发明的一种温控的类贝塞尔光束生成器件的结构示意图；图2为本发明的出射光场仿真侧视图；图3为本发明在Z＝800μm，环境温度为25℃时出射光场的仿真横截面图；图4为本发明在Z＝800μm，环境温度为45℃时出射光场的仿真横截面图，如图1-图4所示，本发明的结构包括单模光纤和与所述单模光纤同轴熔接的毛细管3，所述毛细管3内填充有折射率对温度高度敏感的透明材料4，填充有透明材料4的毛细管3的横截面具有低-高-低的折射率分布。所述单模光纤包括包层和填充于所述包层内部的纤芯，优选的，所述包层1的外径为125μm，所述纤芯2的直径为8.2μm。优选的，所述毛细管3的外径为125μm、内径为105μm。优选的，所述透明材料4为聚二甲基硅氧烷。
基于一种温控类贝塞尔光束生成器件的制备方法，包括以下步骤：
S1、截取一段单模光纤，剥除单模光纤两端的涂覆层并处理，使得单模光纤端面平整；
优选的，步骤S1具体包括以下步骤：
S11、使用米勒钳将单模光纤尾端的涂覆层剥除，露出包层；
S12、用酒精擦拭干净单模光纤尾端；
S13、用光纤切割刀以涂覆层起始位置为基准固定后，推动切割刀的刀刃，之后再用酒精擦拭尾端部分；
S14、使用米勒钳将单模光纤头端的涂覆层；
S15、重复上述切割步骤，使单模光纤端面平整。
优选的，步骤S11和S14中均剥除3cm长度的涂覆层。
S2、截取一段毛细管光纤，按照步骤S1的方法将两端面切割平整后，利用光纤焊接机将毛细管的一端和单模光纤的一端进行非塌缩同轴熔接并切割预留一段毛细管；
优选的，在步骤S2中毛细管2的保留长度为1μm。
S3、将步骤S2中处理好的毛细管的另一端与真空微泵连接，利用真空微泵将对折射率对温度高度敏感透明材料填充进毛细管中，直至毛细管被完全填满；
S4、将激光器尾纤切割平整，并与步骤S1中单模光纤的另一端熔融焊接，即可得到温控类贝塞尔光束生成器件。
优选的，步骤S4后还包括：
S5、试验测试
将温控类贝塞尔光束生成器件水平放置在温控台上，打开激光器电源，输出类贝塞尔光束，改变温控台温度，透明材料折射率随之改变，证明温控类贝塞尔光束生成器件实现了对输出的类贝塞尔光束的控制。
本实施例中，当激光光源入射到单模光纤后，此时单模光纤的基模(LP01)被耦合到毛细管中，在毛细管中激励起零阶径向模式(LP0n)，该模式由贝塞尔函数J0(kz,fnr)来表示，其中横向波矢kz,fn＝(n2 fk2-β2 fn)1/2。式中k＝2π/λ，nf为透明材料折射率，βfn为LP0n模的传播常数，r是径向坐标(r小于毛细管内半径)。由于每个LP0n模式沿着波导独立的传播并拥有各自的传播常数，因此在毛细管的输出端面为类贝塞尔光束的叠加。
同时由于本实施例中使用的对温度高度敏感的聚二甲基硅氧烷作为透明材料，其具有较高的负热光系数，负热光系数为γ＝-4.66*10-4℃，其折射率随温度的升高而降低。因此，改变环境温度可以控制类贝塞尔光束的生成。
因此，本发明采用上述结构的温控类贝塞尔光束生成器件，单模光纤的基模耦合到毛细管中，在毛细管中激励起零阶径向模式，输出类贝塞尔光束，透明材料在温度控制下折射率改变，影响毛细管光纤的折射率分布，可以控制输出的类贝塞尔光束，并且本发明结构简单，成本低廉，具有广阔的应用前景。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其进行限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而这些修改或者等同替换亦不能使修改后的技术方案脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种温控类贝塞尔光束生成器件，其特征在于：包括单模光纤和与所述单模光纤同轴熔接的毛细管，所述毛细管内填充有折射率对温度高度敏感的透明材料，填充有所述透明材料的所述毛细管的横截面具有低-高-低的折射率分布。
2.根据权利要求1所述的一种温控类贝塞尔光束生成器件，其特征在于：所述透明材料为聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的一种温控类贝塞尔光束生成器件，其特征在于：所述单模光纤包括包层和填充于所述包层内部的纤芯，所述包层的外径为125μm，所述纤芯的直径为8.2μm。
4.根据权利要求1所述的一种温控类贝塞尔光束生成器件，其特征在于：所述毛细管的外径为125μm、内径为105μm。
5.基于上述根据权利要求1-4所述的一种温控类贝塞尔光束生成器件的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
S1、截取一段单模光纤，剥除单模光纤两端的涂覆层并处理，使得单模光纤端面平整；
S2、截取一段毛细管光纤，按照步骤S1的方法将两端面切割平整后，利用光纤焊接机将毛细管的一端和单模光纤的一端进行非塌缩同轴熔接并切割预留一段毛细管；
S3、将步骤S2中处理好的毛细管的另一端与真空微泵连接，利用真空微泵将对折射率对温度高度敏感透明材料填充进毛细管中，直至毛细管被完全填满；
S4、将激光器尾纤切割平整，并与步骤S1中单模光纤的另一端熔融焊接，即可得到温控类贝塞尔光束生成器件。
6.根据权利要求5所述的基于一种温控类贝塞尔光束生成器件的制备方法，其特征在于：步骤S1具体包括以下步骤：
S11、使用米勒钳将单模光纤尾端的涂覆层剥除，露出包层；
S12、用酒精擦拭干净单模光纤尾端；
S13、用光纤切割刀以涂覆层起始位置为基准固定后，推动切割刀的刀刃，之后再用酒精擦拭尾端部分；
S14、使用米勒钳将单模光纤头端的涂覆层；
S15、重复上述切割步骤，使单模光纤端面平整。
7.根据权利要求6所述的基于一种温控类贝塞尔光束生成器件的制备方法，其特征在于：步骤S11和S14中均剥除3cm长度的涂覆层。
8.根据权利要求5所述的基于一种温控类贝塞尔光束生成器件的制备方法，其特征在于：在步骤S2中毛细管2的保留长度为1μm。
9.根据权利要求5所述的基于一种温控类贝塞尔光束生成器件的制备方法，其特征在于：步骤S4后还包括：
S5、试验测试
将温控类贝塞尔光束生成器件水平放置在温控台上，打开激光器电源，输出类贝塞尔光束，改变温控台温度，透明材料折射率随之改变，证明温控类贝塞尔光束生成器件实现了对输出的类贝塞尔光束的控制。
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